MIT: 物理学家利用光来操纵磁性

诸平

Physicists Carina Belvin (left) and Edoardo Baldini work in the MIT lab of Professor Nuh Gedik. They and colleagues have found a new way to manipulate magnetism in a material with light. Credit: Tianchuang Luo

据麻省理工学院材料研究实验室（Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology） 2022年2月1日提供的消息，MIT的物理学家利用光可以实现对磁性来进行操纵（Physicists manipulate magnetism with light）。

在他们创造的观测奇异物理的“游乐场”的帮助下，MIT的科学家和同事们不仅发现了一种利用光操纵材料磁性的新方法，而且还实现了一种罕见的物质形式。前者可能会导致应用，包括可以以更快的方式读取或写入信息的计算机存储设备，而后者则会引入新的物理。

固体材料是由不同类型的基本粒子组成的，如质子和中子。在这些材料中，也普遍存在着公众不太熟悉的“准粒子（quasiparticles）”。这包括激子（excitons），它由一个电子和一个“空穴”组成，或者当光照射到物质上时留下的空间，来自光子的能量导致电子跳出它通常的位置。然而，通过量子力学的奥秘，电子和空穴仍然是连接在一起的，并且可以通过静电相互作用相互“交流”。相关研究结果于2021年8月10日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Carina A. Belvin, Edoardo Baldini, Ilkem Ozge Ozel, Dan Mao, Hoi Chun Po, Clifford J. Allington, Suhan Son, Beom Hyun Kim, Jonghyeon Kim, Inho Hwang, Jae Hoon Kim, Je-Geun Park, T. Senthil, Nuh Gedik. Exciton-driven antiferromagnetic metal in a correlated van der Waals insulator（Open Access）. Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 4837. DOI: 10.1038/s41467-021-25164-8. Published: 10 August 2021. https://www.nature.com/articles/s41467-021-25164-8.

此论文的两位主要作者之一爱德华多·巴尔迪尼(Edoardo Baldini)说：“激子可以被看作是通过系统传播的能量包。”爱德华多·巴尔迪尼现在是美国德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的教授，当这项研究在MIT物理学教授努赫·赛迪克（Nuh Gedik）的实验室进行时，他还是MIT的博士后助理。另一位主要作者是卡瑞娜·贝尔文（Carina Belvin），她是努赫·赛迪克小组的博士生。

MIT材料研究实验室的成员、上述研究论文的通讯作者努赫·赛迪克教授说：“这种材料中的激子相当独特，因为它们与系统中的磁性相耦合。能够用光’踢(kick)’激子，并观察磁性的相关变化，这是相当令人印象深刻的。”

操纵磁性（Manipulating Magnetism）

目前的工作涉及在材料三硫化磷镍(nickel phosphorus trisulfide 分子式为NiPS₃)中产生异常激子。这些激子受到周围环境的“修饰”或影响。在这种情况下，环境就是磁力。“所以我们发现，通过激发这些激子，我们实际上可以操纵材料中的磁性，”卡瑞娜·贝尔文说。

磁体的工作原理是由于电子的自旋特性(电子的另一个更熟悉的特性是电荷)。自旋可以被认为是一个基本磁体，在这个磁体中，原子中的电子就像小针，以某种方式定向。在冰箱上的磁铁中，自旋都指向同一个方向，这种材料被称为铁磁体（ferromagnet）。在MIT团队使用的材料中，交替旋转指向相反的方向，形成反铁磁体（antiferromagnet）。

物理学家们发现，一束光脉冲导致NiPS₃中的每一个小电子“针”开始绕圈旋转。旋转的自旋是同步的，并在整个材料中形成一种波，称为自旋波（spin wave）。自旋波可以应用于自旋电子学（spin electronics, or spintronics），这是20世纪60年代引入的一个领域。

自旋电子学本质上是利用电子的自旋来超越电子学，而电子学是基于电子的电荷。在反铁电材料（antiferroelectric material）中产生自旋波的能力可能会导致未来的计算机存储设备能够以比那些仅基于电子器件更快的方式读取或写入信息。“我们还没有到那一步。在这篇论文中，我们已经演示了一个基于相干域切换（coherent domain switching）的过程:下一步就是实际切换域，”爱德华多·巴尔迪尼说。

罕见的物质形式（Rare Form of Matter）

通过他们的工作，该团队还展示了一种罕见的物质形式。当物理学家将NiPS₃暴露在强烈的光脉冲下时，他们发现它变成了一种金属状态，在保持磁性的同时可以传导电子。NiPS₃通常是一种绝缘体，即一种不传导电子的材料。爱德华多·巴尔迪尼说：“在同一种材料中，反铁磁体和金属状态同时存在是非常罕见的。”

物理学家认为，这是因为强烈的光导致激子相互碰撞，并分裂成它们的组成部分:电子和空穴。“我们基本上是在破坏激子，这样电子和空穴就可以像金属中的那样四处移动，”爱德华多·巴尔迪尼说。但这些可移动的粒子不与参与自旋波的局域电子自旋相互作用，因此磁性依然被保留。

爱德华多·巴尔迪尼将实验装置描述为“观察多体物理的游乐场（playground for observing many-body physics）”，他将其定义为“不同物体如激子和自旋波之间优雅的相互作用。”他总结道:“我真正喜欢这项工作的地方在于，它展示了我们周围世界的复杂性。”

这篇论文的其他作者是麻省理工学院的物理学教授Senthil Todadri, 2018届博士生Ilkem Ozge Ozel (Ph.D. ’18)，目前在康奈尔大学工作的2021届博士生毛丹(Dan Mao, Ph.D. '21, now at Cornell University)；2018-2021年博士后研究员，目前在香港科技大学工作的鲍海春(Hoi Chun Po, postdoctoral fellow '18-'21, now at Hong Kong University of Science and Technology); 化学研究生克利福德·阿林顿(Clifford Allington)。另外，还有来自韩国首尔国立大学（Seoul National University）和基础科学研究所（Institute for Basic Science, Korea)、韩国高等研究院（Korea Institute for Advanced Study）以及韩国延世大学（Yonsei University）的研究人员也参与了此项研究。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

MIT物理学家发现了一种由独特强力“胶水”粘在一起混合粒子（Physicists detect a hybrid particle held together by uniquely intense 'glue'）

Abstract

Collective excitations of bound electron-hole pairs—known as excitons—are ubiquitous in condensed matter, emerging in systems as diverse as band semiconductors, molecular crystals, and proteins. Recently, their existence in strongly correlated electron materials has attracted increasing interest due to the excitons’ unique coupling to spin and orbital degrees of freedom. The non-equilibrium driving of such dressed quasiparticles offers a promising platform for realizing unconventional many-body phenomena and phases beyond thermodynamic equilibrium. Here, we achieve this in the van der Waals correlated insulator NiPS₃ by photoexciting its newly discovered spin–orbit-entangled excitons that arise from Zhang-Rice states. By monitoring the time evolution of the terahertz conductivity, we observe the coexistence of itinerant carriers produced by exciton dissociation and a long-wavelength antiferromagnetic magnon that coherently precesses in time. These results demonstrate the emergence of a transient metallic state that preserves long-range antiferromagnetism, a phase that cannot be reached by simply tuning the temperature. More broadly, our findings open an avenue toward the exciton-mediated optical manipulation of magnetism.